西南大学：酶和光接力催化实现吲哚的氨烷基化反应

光是一种清洁、廉价、丰富的能源。光催化的反应可以用来构建一些其他方法无法实现的复杂分子结构，因此，光催化作为一个有前途的领域备受关注。酶作为绿色高效的生物催化剂，在如反应条件温和，立体选择性好，操作简单方便和经济环保等诸多方面具有巨大的优势。越来越多的例子表明许多酶在有机溶剂中不但仍能保持其活性，而且还能获得增强的稳定性，改变的底物特异性，并能催化其在水介质中不能催化的反应。

光合作用是自然界最著名的化学反应之一。从光合作用获得灵感，科学家们发展了一些很好的光催化体系。在植物利用太阳光作为能源将二氧化碳转化成糖的过程中，一系列酶参与其中。然而，光催化和酶催化相结合的例子目前还不多见。

近日，西南大学官智（点击查看介绍）、何延红（点击查看介绍）研究小组报道了将酶和光通过接力催化的策略相结合，从而实现吲哚氨烷基化的反应。他们采用固定化南极假丝酵母脂肪酶（CALB）和光催化剂三联吡啶氯化钌[Ru(bpy)₃Cl₂]接力催化，来实现吲哚的氨烷基化。这一反应过程包括酶催化的N-芳基甘氨酸酯的水解、可见光诱导的酸的脱羧、α-氨基自由基的氧化以及亚胺离子和吲哚间的Friedel-Crafts反应。通过该策略，N-芳基甘氨酸酯可被直接用来做烷基化试剂，省去了单独从酯制备酸的步骤（通常N-芳基甘氨酸从N-芳基甘氨酸酯制备而来）。所得的吲哚α-氨烷基化产物具有较高的产率（达96%）和较广的底物适用范围。

Graphical abstract

Relay catalysis reaction consisting of enzyme and photocatalyst

Proposed mechanism

在这个包括生物催化和化学催化的接力催化反应中，酶和光催化剂在同一个反应容器内在未使用任何特殊设备的条件下分别进行不同的催化过程，来实现整个反应的连续进行。实验证明脂肪酶CALB和光催化剂Ru(bpy)₃Cl₂在有机溶剂中在可见光照射下具有很好的兼容性。该反应的另一优势在于，可以通过调整乙腈中水的含量控制N-芳基甘氨酸乙酯在酶作用下的水解速率，以实现N-芳基甘氨酸的缓慢释放，从而避免了在短时间内大量的N-芳基甘氨酸经光催化脱羧而生成大量自由基（积累的自由基在被进一步转化之前可能造成分解而导致产率下降）。该方法反应条件温和，操作简便，并且仅有乙醇和二氧化碳作为副产物生成。该工作为探索酶和光结合的合成方法提供了一个新颖的例子。

该研究成果在《绿色化学》（Green Chemistry）杂志上报道，这项工作主要由硕士研究生向阳同学完成。该研究工作得到了国家自然科学基金委和重庆市科委基础与前沿研究计划的大力支持。

该论文作者为：Yan-Hong He, Yang Xiang, Da-Cheng Yang, Zhi Guan

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2016/gc/c6gc00550k

Combining enzyme and photoredox catalysis for aminoalkylation of indoles via a relay catalysis strategy in one pot

Green Chem., 2016, 18, 5325-5330, DOI: 10.1039/C6GC00550K

导师介绍

官智教授：http://www.x-mol.com/university/faculty/13981

何延红教授：http://www.x-mol.com/university/faculty/13984

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